Útþensla alheimsins

1. Inngangur

Árið 1929 uppgötvaði Edwin Hubble (1889–1953) að alheimurinn væri að þenjast út og útþensluhraðinn yxi eftir því sem fjarlægðin til fyrirbærisins væri meiri. Hann uppgötvaði að útþensluhraðinn væri í réttu hlutfalli við fjarlægðina og fylgdi lögmáli sem í dag er kennt við hann sjálfan, nánar tiltekið

v₀=H₀d

þar sem v₀ táknar burthraðann. H₀ er Hubblesstuðull. Í dag er gildi Hubblesstuðulsins talið vera

H₀= 70,4 km s⁻¹Mpc⁻¹.

Það þýðir að miðað við jörð hreyfast vetrarbrautir í 1 Mpc fjarlægð frá okkur með hraða sem nemur 70,4 km s⁻¹. Sjá mynd 1 þessu til skýringar. Þar sem heimurinn er að þenjast út voru vetrarbrautir í alheimi þéttar saman fyrr en nú. Ef við hverfum nógu langt aftur ætti allt efni í alheimi að hafa verið saman komið í einum punkti.

Mynd 1: Við fyrstu sýn kann að virðast sem við séum stödd í miðju alheims enda eru flest fyrirbæri í geiminum á hraðferð burtu frá okkur. Þessi mynd ætti að leiðrétta þann misskilning. Hún sýnir að í heimi sem lítur lögmáli Hubbles virðist sérhverjum athuganda (A, B eða C) hann vera nafli alheims. Mynd: Weinberg (1998).

2. Hvað þenst?

Við sjáum að flestallar vetrarbrautir (og önnur fjarlæg fyrirbæri) í alheimi eru á hraðferð í burtu frá okkur. Við erum þó ekki í miðju alheimsins, enda sér sérhver athugandi í alheimi sömu útþensluna (sjá mynd 1). Í fyrstu mætti halda að vetrarbrautirnar hreyfist í gegnum rúmið, á svipaðan hátt og þegar tveir menn halda hvor í sína áttina en þeir ferðast gegnum rúmið. Sú er ekki raunin, heldur er það rúmið sjálft sem þenst.

Mynd 2: Svona virkar útþensla alheimsins. Breiðum út hnitakerfi í alheimi á tíma t0 og settum tvær vetrarbrautir, A og B í tiltekna punkta þess. Seinna í sögu alheims könnum við fjarlægðina milli A og B og sjáum að hún hefur aukist en vetrarbrautirnar hafa ekki hliðrast til út hnitapunktum sínum. Við sjáum því að það möskvar hnitakerfisins þenjast, þ.e. rúmið þenst. Mynd: Stjörnufræðivefurinn.

En hvert þenst heimurinn?

Við erum vön því að sem þenst út (t.d. blaðra sem blásin er upp), þenjist út í rúmið í kring um sig. Því er ekki þannig farið með alheiminn. Hann þenst ekki út í neitt. Alheimurinn er allt sem er.

3. Rauðvik ljóss vegna útþenslu alheims

Mynd 3: Svona myndast hefðbundið rauðvik, Dopplerhrif í ljósi. Þetta er svipað því þegar við heyrum sjúkrabíl bruna hjá. Þegar hann nálgast okkur er sírenuvælið við hærri tíðni en vanalega og þegar bíllinn hefur brunað hjá heyrum eru óhljóðin að lægri tíðni en vant er. Mynd: A. Tošovský.

Þegar ljóslind er á hraðri leið frá okkur teygist á ljósinu sem það sendir frá sér, bylgjulengd ljóssins sem við mælum er meiri en þegar ljósgjafinn sendi það frá sér. Okkur virðist ljósið roðna og við köllum þessi hrif rauðvik. Rauðvik uppsprettu sem sendir út ljós af bylgjulengd λ_e en við mælum með meiri bylgjulengd λ₀ er

Á hliðstæðan hátt styttist bylgjulengd ljóss frá ljósgjafa sem er á leið til okkar. Þau hrif köllum við blávik. Það er skilgreint á hliðstæðan hátt. Stjarneðlisfræðingar hafa mun meiri áhuga á rauðviki en bláviki því nánast öll fyrirbæri í alheimi virðast vera á hraðferð burt frá okkur.

En rauðvik fjarlægra fyrirbæra (vetrarbrauta, vetrarbrautaþyrpinga o.s.frv.) stafar ekki af Dopplerhrifum í ljósi (sjá mynd 3). Þetta rauðvik kemur til af útþenslu alheimsins.

Mynd 4: Það tognar á bylgjulegndum ljóss frá fjarlægum vetrarbrautum vegna útþenslu alheimsins. Mynd: J. D. Norton.

Vetrarbrautin NGC 4414 í stjörnumerkinu Bereníkuhaddi er í um 65 milljón ljósára fjarlægð frá okkur. Það þýðir að 65 milljón ár eru liðin frá því að ljóseindinar sem við sjáum nú lögðu upp frá vetrarbrautinni. Á leið þeirra gegnum rúmið sem stöðugt þenst, teygist á bylgjulengd ljóssins og það roðnar. Þannig geymir ljósið á vissan hátt upplýsingar um það hversu langt í burtu ljóslindin er. Með litrófsgreiningu má draga fram þessar upplýsingar.

Á þennan hátt gerði Hubble uppgötvun sína. Aðstoðarmaður hans Milton Humason (1891–1972) mældi rauðvik fjarlægra vetarbrauta og þannig mátti ákvarða fjarlægðina til þeirra. Þessar mælingar tengdi hann mælingum á burthraða vetrarbrautanna og uppgötvaði þannig sín frægu vensl.

Mynd 5:  Þeim mun rauðari sem ljós fjarlægra vetrarbrauta er, þeim mun hraðar fjarlægjast þær okkur og þeim mun fjarlægari eru þær. Mynd: J. D. Norton.

4. Algengur misskilningur um eðli útþenslunnar

4.1. Burthraði vetrarbrauta getur orðið meiri en ljóshraðinn

Frá unga aldri hefur okkur verið kennt eitt af boðorðum eðlisfræðinnar: Þú skalt ekki ferðast hraðar en ljósið. Enda er það ekki hægt. Eða hvað? Þetta lögmál er meginstef í takmörkuðu afstæðiskenningu Einsteins. Hún bannar að innbyrðis hraði tveggja hluta geti ekki orðið meiri en ljóshraðinn á ferð þeirra gegnum rúmið. En hún bannar ekki að innbyrðis hraði tveggja hluta geti orðið meiri en ljóshraðinn ef hraðinn stafar af útþenslu rúmsins sjálfs. Þess vegna getur burthraði vetarbrauta orðið meiri en ljóshraðinn. Og sú er líka raunin. Öll fyrirbæri sem eru í meiri fjarlægð d, en

d = H₀/c

þar sem H₀ er Hubblesstuðullinn og c = 300.000 km s er hraði ljóssins, fjarlægjast okkur með hraða sem er meiri en ljóshraðinn.

4.2. Ekki allt í alheimi þenst

Þegar við segjum að alheimurinn þenjist út, gildir það á stórum kvarða. Sólkerfið okkar liðast ekki í sundur vegna útþenslunnar, né heldur vetrarbrautin sem við byggjum. Það er vegna þess að þyngdaraflið heldur þessum fyrirbærum saman. Reyndar munu vetrarbrautir grenndarhópsins svokallaða dragast að endingu saman í eina reginvetrarbraut. Íbúar grenndarhópsins þenjast því ekki hvor frá öðrum. Þau fyrirbæri sem fjarlægjast hvort annað í alheimi vegna útþenslu hans eru því vetrarbrautahópar og þyrpingar vetrarbrauta.

4.3. Aldur alheims er ekki jafn Hubblestímanum

Að því gefnu að útþenslan hafi fylgt lögmáli Hubbles og Hubblesstuðullinn hafi ætíð verið sá sami hefur alheimurinn þanist í

t_H = 13,87 milljarða ára.

Þetta er ótrúlega nálægt niðurstöðum mælinga Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) gervitunglsins sem mældi bakgrunnsgeislun á örbylgjusviðinu, úr frumheimi. Þeim verða gerð betri skil síðar. Stærðin t_H er kallaður Hubblestími og er notadrjúg í heimsfræði. Sú staðreynd að stærðinni t_H beri svona vel saman við aldur alheims er þó aðeins tilviljun, því það hvernig og hversu hratt heimurinn þenst út, breytist með tíma, Hubblesstuðullinn er ekki fasti. H₀ er aðeins gildi hans í dag. Til marks um það verður Hubblesstuðullinn, að einum Hubblestíma liðnum (þegar alheimurinn verður um 27 milljarða ára gamall), um 60 km s^-1Mpc^-1. Sem myndi benda til þess að heimurinn væri ekki nema rúmlega 16 milljarða ára gamall.

Mynd 6: Hér má sjá hvernig Hubblesstuðullinn mun þróast. Að einum Hubblestíma liðnum (tH = 13,87 milljarðar ára) verður Hubblesstuðullinn einungis um 60 km s-1Mpc-1. Græna línan markar gildi Hubblesstuðuls í dag. Mynd: Stjörnufræðivefurinn.

5. Afleiðingar sívaxandi útþensluhraða

Sjá nánar: Örlög alheims og framtíð heimsfræði

Sökum síaukins útþensluhraða alheimsins munum við aldrei nema hluta alheimsins. Reyndar minnkar sá hluti stöðugt. Nú sjáum við milljarða stjarna og vetrarbrauta með sjónaukum. Athugendur í alheimi framtíðarinnar munu ekki sjá það sama og við. Eftir 100 milljarða ára verða allar fjarlægar vetrarbrautir horfnar sjónum. Þeir munu aðeins sjá eina slíka – sína eigin. Hún mun virðast í miðju alheimsins.

Til eru kenningar sem lýsa Miklusundrun (e. Big Rip). Þá mun alheimurinn og allt sem í honum er bókstaflega rifna í sundur, vegna útþensluhraðans sem vex svo skarpt. Þá vex alheimurinn óendanlega mikið á endanlegum tíma. Mælingar dagsins í dag gefa þó ekki ástæðu til að ætla að við byggjum þennan heim. Sjá nánar Caldwell (2003).

Heimildir

• Carroll, B. W. og D. A. Ostlie (2007). An Introduction to Modern Astrophysics.San Fransisco: Addison Weasley.
• Caldwell, R. R. og fél. (2003). Phantom Energy and Cosmic Doomsday. arXiv: astro-ph/0302506.
  
• Davis, T. M. og C. H. Lineweaver (2003). Expanding Confusion: common misconceptions of cosmological horizons and the superluminal expansion of the Universe. arXiv: astro-ph/0310808v2.
• Ryden, B. (2003). Introduction to Cosmology. San Fransisco: Addison Weasley.
• Weinberg, S. (1998). Ár var alda. Reykjavík: Hið íslenzka bókmenntafélag.

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Ottó Elíasson (2010). Útþensla alheimsins og lögmál Hubbles. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornuskodun.is/utthensla_alheims (sótt: DAGSETNING).